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改進淬火介質提高GCrl5鋼制軸承套圈淬火質量
中國軸承網 發布時間:2008/09/10
我公司在90年代初將氮基可控氣氛鑄鏈爐自動生產線應用于GCr15鋼制軸承套圈淬、回火。淬火介質主要用N32機械油。隨著套圈尺寸的增大，有時出現淬火硬度嚴重不均和畸變等問題，采用今禹Y15T快速淬火油添加劑對N32機械油進行改性處理后，解決了套圈硬度不均，有效地控制了畸變。
我公司鑄鏈爐生產線自1993年投產至1999年初已累計淬火工件7000余t，產品質量穩定控制在JB／T1255-1991標準范圍之內，淬火介質以N32機械油為主，冬季也部分補充N15機械油，對淬火介質除嚴格控制水分含量外未采取其他檢測手段，多年來也未出理淬火質量問題。1999年初，因舊油老化，工件淬火后表面光亮度下降，生產時油煙較大，遂將鑄鏈爐淬火油槽整槽換用新的N32機械油，其后不久即發現厚壁大尺寸套圈(外徑>100mm、有效壁厚>10mm)淬火后易出現部分套圈(約占5%-20%)厚端面表面硬度不均勻、局部硬度不合格，出現6級(JB／T1255-1991第二級別圖)以上淬火組織。如圖1a所示，個別套圈出現如圖1b所示的硬度分布。
圖中硬度合格區域金相組織為2級，殘留碳化物量適合，但顆粒較粗；硬度不合格區域主要為6級、8級、偶見>8級，屈氏體形狀為塊狀，大塊狀，塊狀屈氏體中部可見殘留碳化物顆粒。
1質量問題分析
1.1原始組織均勻性較差是產生淬火不合格組織的原因之一
據查，上述問題出現期間球化退火溫度超過820℃，退火組織評級為4級(JB／T1255-1991第一級別圖)，雖屬合格，但由于部分碳化物顆粒較粗且分布不均，造成淬火工藝調整困難。為此對退火工序立即進行了糾正，但此前生產的退火坯已難以返工。
1.2淬火溫度是否偏低
JB/T1255-1991標準的編制說明，出現6級、8級淬回火組織顯示淬火溫度偏低。而提高淬火加熱溫度、延長保溫時間可提高奧氏體中碳、鉻含量，使奧氏體成分均勻化，晶粒增大，提高淬火時過冷奧氏體穩定性，抑制珠光體類型轉變，提高GCr15鋼淬透性，降低臨界淬火速度。據此，我們將淬火加熱溫度提高8-10℃、總加熱時間延長10-15min進行批量生產試驗，硬度不合格的問題可得以解決。但不少套圈同—零件硬度差較大，達2HRC，淬回火組織中仍不時發現局部有少量小塊狀屈氏體存在；同時也開始有細小針狀馬氏體出現，淬火變形量急劇上升。直徑變動量超差率由平均不到10%上升到25%以上，零件力學性能相對劣化。由此可見，在原始組織均勻性較差的情況下單純提高淬火加熱溫度及時間以解決硬度不合格的問題并不是最佳途徑。
1.3淬火加熱爐爐膛保溫性能、爐溫均勻性是否下降，裝爐量是否合適 經查，裝爐量均未超過工藝規范。如下規范檢測爐溫均勻性：空載，I、II、III區儀表設定溫度均為850℃并巳達到熱穩定狀態，用5支鎧裝熱電偶在鑄鏈帶工作空間內同一橫斷面(590mm寬x100mm高)上同時測量左上、左下、中間、右上、右下5點溫度，從進料震動導槽在鑄鏈帶上開口處(進料口)起至鑄鏈帶末端(落料口)止4750mm長度上各橫斷面爐溫平均值如圖2所示。
其中I區因靠近進料口且測溫時進科口敞開，平均溫度較低，為840℃，II區平均溫度846℃，III區平均溫度854℃，整個加熱長度內爐溫波動平緩。對于連續式淬火加熱爐尤為重要的是工作空間內同—橫斷面上各點的溫差，實測圖示c點至d點間同—橫斷面上各點溫差土4℃之內，爐溫均勻性尚屬良好。實測爐殼溫升<40℃。因此，可以排除加熱爐性能與裝爐量影響均勻加熱奧氏體化的因素。
1.4淬火介質冷卻能力是否不足
因質量問題出現在鑄鏈爐淬火抽槽換用新N32機械油之后，而同期在箱式爐加熱用舊油淬火的同類型工件未出現硬度不合格的問題，由此分析—方面可能舊油(如前所述，因摻有部分N15機械油，其成分與老化程度巳難以追溯)冷卻能力好于新油；另一方面，在箱式爐加熱淬火時工件用鉤串或手提鐵絲淬火籃在油中搖動冷卻，工件與淬火介質之間的相對運動均勻且充分，而鑄鏈爐淬火油槽雖然容積大，具有淬火油自動控溫裝置及兩臺齒輪油泵、一臺油攪拌機使淬火槽內油溫均勻并穩定控制在60-90℃之間，循環良好。但由于淬火槽深度大，油攪拌機運轉所形成的油流對淬火工件表面的沖刷不均勻，油攪拌機轉速越高工件淬火變形越大，并且齒輪油泵與油攪拌機運轉所形成的油攪動區主要在油槽工件落料導槽的上、中部，赤熱工件垂直落入油槽時瞬間通過油攪動區后即停置在油槽下部緩慢運行的提升網帶上，工件與淬火油之間的運動相對緩慢且部分工件可能互相重疊，此時如淬火油自身的冷卻能力不足，工件局部冷連低于臨界淬火速度而產生屈氏體轉變可能是造成部分套圈淬火后局部硬度不合格的主要原因。其后采用ISO9950標準對新舊油樣的冷卻特性檢測證實了這—分析，新舊油樣的冷卻特性曲線見圖3e、f。
2淬火介質改進及其效果
根據以上分析，我們認為N32機械油用于自動生產線上厚壁大尺寸套圈淬火時其冷卻能力有所不足，鑒于淬火油槽的結構緊湊難以更改，現在N32機械油油質尚可，決定單純在改進淬火油的冷卻特性方面進行試驗。經對比測試，我們選用北京華立精細化工公司生產的今禹Y15T快速光亮淬火油添加劑對該槽N32機械油進行改性處理，加人10%添加劑后油品的冷卻特性曲線見圖3g。改性后淬火油冷速提高，最大冷速提高了20℃／s，蒸汽膜階段時間縮短近一半，最大冷速所在溫度提高了50℃，有利于抑制淬火組織出現擴散型轉變。改進后的淬火油用與改進前相同的加熱工藝進行厚壁大尺寸GCr15鋼制軸承套圈淬火時，硬度全部合格，同一零件硬度差在1HRC以內，淬火金相組織等級提高，屈氏體徹底消失，套圈經酸洗檢查無裂紋，唯淬火變形仍較大。考慮到改進后淬火油冷卻性能的改善，可滿足工件在較低溫度下奧氏體化產生的晶粒較細、碳、鉻含量較低的奧氏體所需的臨界淬火速度，既保證淬火硬度，又細化馬氏體基體組織，避免淬火裂紋，可提高GCr15鋼淬回火后的力學性能，也可提高臨界淬火直徑，擴大GCrl5鋼的使用范圍。經過逐步試驗，調整工藝，采用比正常加熱溫度低2-5℃，同時調減淬火油槽油攪拌機轉速，其后軸承套圈淬火硬度穩定控制在64-65.5HRC，淬火金相2—3級，以2級為多，外徑100mm以上的套圈淬火后直徑變動量超差率降至約7%，隨后淬火工件近3000t，其中GCrl5鋼制圓錐滾子軸承套圈最大有效壁厚達15mm、非標滾輪軸承套圈最大有效壁厚達23mm，質量全部合格，減少了廢品及返修損失。由于該槽N32機械油潔凈度尚好，改進后工件淬火后表面光亮無污染，淬火時油煙少，改善了工件表面質量和車間生產作業環境。
3結論
(1)根據零件材質、原始組織、淬火方式選擇適當冷卻特性的淬火介質并定期監測、調整其冷卻特性對保障零件淬火質量至關重要；
(2)在允許的范圍內改進淬火介質的冷卻特性，有利于提高零件淬火后硬度及均勻性，擴大鋼種的使用范圍，并可通過加熱工藝的調整達到減少淬火變形的效果；
(3)選擇優質的專用淬火油配合控制氣氛加熱爐可得到淬火后光亮潔凈的外觀質量，減少油煙揮發，有利于實現熱處理清潔生產。
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